04.12.2020
Comprendere il metabolismo dei batteri potrebbe migliorare la produzione di biocarburantiI ricercatori dell'UC Riverside e del Pacific Northwest National Laboratory hanno utilizzato modelli matematici e computazionali, algoritmi di intelligenza artificiale ed esperimenti che dimostrano che i batteri hanno meccanismi di sicurezza che impediscono loro di produrre troppi intermedi metabolici. Gli intermedi metabolici sono le sostanze chimiche che accoppiano ciascuna reazione l'una all'altra nel metabolismo. La chiave di questi meccanismi di controllo sono gli enzimi, che accelerano le reazioni chimiche coinvolte nelle funzioni biologiche come la crescita e la produzione di energia. L'intuizione potrebbe portare a organismi più efficienti nel convertire le piante in biocarburanti. Lo studio ad accesso aperto appare nel Journal of the Royal Society Interface. Il metabolismo cellulare è costituito da un mucchio di enzimi. Quando la cellula incontra il cibo, un enzima lo scompone in una molecola che può essere utilizzata dall'enzima successivo e dal successivo, generando infine energia (William Cannon, coautore, professore di matematica a contratto dell'UCR e scienziato computazionale del PNNL). Gli enzimi non possono produrre una quantità eccessiva di intermedi metabolici. Producono una quantità che è controllata da quanto di quel prodotto è già presente nella cellula. In questo modo le concentrazioni dei metaboliti non diventano così elevate che il liquido all'interno della cellula diventa denso e appiccicoso come la melassa, il che potrebbe causare la morte cellulare (William Cannon). Uno degli ostacoli alla creazione di biocarburanti competitivi in ​​termini di costi con il petrolio è l'inefficienza della conversione del materiale vegetale. In genere, i batteri E. coli sono progettati per abbattere la lignina, la parte dura delle pareti cellulari delle piante, in modo che possa essere fermentata in combustibile. Uno dei problemi con l'ingegnerizzazione dei batteri per i biocarburanti è che la maggior parte delle volte il processo fa ammalare i batteri. Li spingiamo a produrre una quantità eccessiva di proteine, e diventa scomodo: potrebbero morire. Ciò che abbiamo appreso in questa ricerca potrebbe aiutarci a progettarli in modo più intelligente (William Cannon). Sapere quali enzimi devono essere prevenuti dalla sovrapproduzione può aiutare gli scienziati a progettare cellule che producono più di ciò che vogliono e meno di ciò che non hanno. Mark Alber, coautore dello studio e illustre professore di matematica dell'UCR, ha affermato che lo studio fa parte di un progetto per comprendere il modo in cui batteri e funghi lavorano insieme per influenzare le radici delle piante coltivate per i biocarburanti. In questo studio, utilizziamo due approcci per prevedere le politiche di regolazione degli enzimi e indagare l'ipotesi che la regolazione sia guidata dalla necessità di mantenere la capacità del solvente nella cellula. Il primo metodo predittivo utilizza una termodinamica statistica e un quadro teorico del controllo metabolico, mentre il secondo metodo viene eseguito utilizzando un approccio ibrido di ottimizzazione e apprendimento per rinforzo. Schemi di regolazione efficienti sono stati appresi da dati sperimentali che concordano con calcoli teorici o si traducono in una maggiore idoneità cellulare utilizzando il massimo lavoro utile come metrica. Come precedentemente ipotizzato, la regolazione è qui mostrata per controllare le concentrazioni delle concentrazioni di prodotto sia immediate che a valle a livelli fisiologici. Le previsioni del modello forniscono i seguenti due nuovi principi generali: (1) la regolazione stessa fa sì che le reazioni siano molto più lontane dall'equilibrio invece del comune presupposto che le reazioni altamente non in equilibrio siano gli obiettivi della regolazione; e (2) la regolazione minima necessaria per mantenere i livelli dei metaboliti a concentrazioni fisiologiche massimizza il tasso di dissipazione dell'energia libera invece di preservare una carica energetica specifica. La velocità di dissipazione dell'energia risultante è una proprietà di regolazione emergente che può essere rappresentata da un valore elevato della carica energetica dell'adenilato. Inoltre, le previsioni dimostrano che la quantità di regolamentazione necessaria può essere ridotta al minimo se applicata all'inizio o al punto di diramazione di un percorso, in accordo con le nozioni comuni.